技术领域
[0001] 本
发明属于
微波天线技术领域，具体涉及一种双极化二波束低副瓣快速跌落矩形赋形阵列天线。
背景技术
[0002] 目前许多大型场馆、演艺中心等移动通信用户密集的热点区域在举办大型赛事或特殊活动
时移动通信的数据流量呈现爆发式增长，而可使用的
频率资源又固定有限，因此需要采用大量的频率复用以达到最佳通信容量。因此，为了满足网络通信容量的需求，大型场馆、演艺中心等通信热点区域一般通过规划较多的扇区进行分区
覆盖已达到较好的通信容量的需求。
[0003] 目前为了解决分区覆盖的问题，实际中，多采用单一主瓣的覆盖区域为矩形的阵列天线进行多扇区覆盖，在需要分区数量较多时可以有效消除相邻复用蜂窝区的覆盖重叠或盲区，使扇区间的边界尽量清晰。例如张涛等人
申请的《矩形赋形天线阵列》国家发明
专利(专利申请号：201510936949.7)和吴泽海等人申请的《一种宽频阵列天线》国家发明专利(专利申请号：201510705631.8)。这两种专利申请的阵列天线性能在3dB到20dB功率跌落
角度一般在20°～25°，中心频率的3dB波束宽度在50°，此类天线的工作频带内峰值增益一般为不小于9.5dBic,全三维空间副瓣电平在-20dB左右。这些阵列天线存在的问题是天线的峰值增益较低，3dB到20dB功率跌落角度不够快，全三维的副瓣电平不够低。同时，目前的两波束天线的全空间副瓣电平都较高，为了进一步提高移动通信系统频率复用效率和分布系统容量，需要提供比现有阵列天线增益更高、3dB到20dB功率跌落角度更快、全三维空间副瓣电平更低的中心频率的3dB波束宽度在50°的阵列天线。
发明内容
[0004] 有鉴于此，针对
现有技术存在的不足，克服现有技术存在的
缺陷，提供一种双极化二波束低副瓣快速跌落矩形赋形阵列天线，方向图跌落更快，副瓣低、增益更高的矩形赋形两波束阵列天线，在保证覆盖区域的前提下，通过快速波束收敛降低相邻扇区的干扰，提高天线覆盖区域的电平值，提高抗干扰效果，从而提高场馆等热点区域的通信容量。
[0005] 一种双极化二波束阵列天线，包括天线
辐射阵面、
水平功分网络和垂直功分网络，所述天线辐射阵面在垂直方向上包含八个辐射子阵；每个辐射子阵在水平方向上包含N个辐射单元；N的取值为大于或等于2；
[0006] 所述水平功分网络有两组，分别对应阵列天线的两种极化方式，每组各包括八个水平功分网络，与所述八个辐射子阵一一对应；每个水平功分网络具有一个输入端口和N个输出端口；每个水平功分网络中的N个输出端口与对应的辐射子阵中的N个辐射单元一一对应相连；
[0007] 所述垂直功分网络为两个，分别对应阵列天线的两种极化方式；每个垂直功分网络包括一个输入端口、八个输出端口以及一个馈
电网络本体，其中输入端口连接后端设备，八个输出端口与八个水平功分网络的输入端口一一对应相连；
[0008] 所述馈电网络本体包含第一波束输入端口(431)、第二波束输入端口(432)、匹配负载、第一90°定向
耦合器(435)、两个45°
移相器(434)、第二90°定向耦合器(436)以及四个不等分功分器；其中第一90°定向耦合器435分别同第一波束输入端口(431)、第二波束输入端口(432)以及配负载电性连接；第一90°定向耦合器(435)其中的两路输出分别与45°移相器(434)进行电性连接，然后再与第二90°定向耦合器(436)进行连接；
[0009] 第二90°定向耦合器(436)的四个输出端口分别与四个不等分功分器的输入端口一一对应相连；四个不等分功分器引出八个输出通道，作为垂直功分网络的八个输出端口。
[0010] 较佳的，所述馈电网络本体还包含四个180°移相器(438)；所述四个不等分功分器分别定义为第一不等分功分器(439)、第二不等分功分器(4310)、第三不等分功分器(4311)和第四不等分功分器(4312)；每个不等分功分器对应一个180°移相器(438)；
[0011] 其中的第二90°定向耦合器(436)的第一端口与第一不等分功分器(439)连接，第二90°定向耦合器(436)的第二端口与第二不等分功分器(4310)连接，第二90°定向耦合器(436)的第三端口与第三不等分功分器(4311)连接，第二90°定向耦合器(436)的第四端口与第四不等分功分器(4312)电性连接；
[0012] 所述第一不等分功分器(439)中的一路直接连接水平馈电网络输入端口，另一路经由一个180°移相器(438)后再与水平馈电网络输入端口进行连接；所述第二不等分功分器(4310)一路直接连接水平馈电网络输入端口，另一路经由一个180°移相器(438)后再与水平馈电网络输入端口进行连接；所述第三不等分功分器(4311)的一路直接连接水平馈电网络输入端口，另一路经由一个180°移相器(438)后再与水平馈电网络输入端口进行连接；所述第四不等分功分器(4311)的一路直接连接水平馈电网络输入端口，另一路经由一个
180°移相器(438)后再与水平馈电网络输入端口进行连接。
[0013] 较佳的，所述第一不等分功分器(439)和第二不等分功分器(4310)均为一进二出的不等分功分器；所述的第三不等分功分器(4311)和第四不等分功分器(4312)均为一进三出的不等分功分器，第三不等分功分器(4311)和第四不等分功分器(4312)的其中两个输出端口分别连接水平功分网络的输入端口和180°移相器(438)，第三个输出端口连接匹配吸收负载。
[0014] 较佳的，所述的垂直馈电网络的八个输出端口当在第一波束输入端口(431)激励时候，依次输出
相位为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°
信号；所述的垂直馈电网络的8个输出端口当在第二波束输入端口(432)激励时候，依次输出相位为315°、270°、225°、180°、135°、90°、45°和0°信号。
[0015] 较佳的，所述该阵列天线在连接垂直功分网络前，相位输出布局具体为：前六个辐射子阵相位分布相同，第七辐射子阵、第八辐射子阵相位相同。其中前六个辐射子阵相位为第一辐射单元、第二辐射单元180°相位分布，第三辐射单元、第四辐射单元、第五辐射单元为0°相位分布；第七辐射子阵、第八辐射子阵相位为第一辐射单元、第二辐射单元为0°相位分布，第三辐射单元、第四辐射单元、第五辐射单元为180°
[0016] 较佳的，所述N取5。
[0017] 较佳的，所述辐射单元在天线辐射阵面上矩形排布。
[0018] 较佳的，所述的辐射单元为相同的双极化十字交叉振子天线或者双极化金属贴片天线。
[0019] 较佳的，所述的水平方向辐射子阵列内相邻辐射单元间距相同；所述的垂直方向上相邻辐射子阵列间距相同。
[0020] 较佳的，水平方向辐射子阵列内相邻辐射单元间距为0.4倍中心频率
波长～1.6倍中心频率波长范围内。
[0021] 较佳的，垂直方向上相邻辐射子阵列间距为0.4倍中心频率波长～1.6倍中心频率波长范围内。
[0022] 较佳的，水平功分网络的N的输出端口的幅度比为：0.275:0.07:0.6:0.89:0.53。
[0023] 较佳的，垂直功分网络的八个输出端口幅度比为：0.158:0.063:0.134:0.520:0.787:0.800:0.580:0.291。
[0024] 本发明具有如下有益效果：
[0025] (1)在超宽带范围内具有比单一主瓣天线更快的波束跌落速度，中心频率的3dB波束宽度在50°，其中在水平方向上3dB到20dB功率跌落角度不大于20°，垂直方向上3dB到20dB功率跌落角度不大于14°；具有比单一主瓣天线更高的增益，在工作频带内(1.71GHz～
2.17GHz)峰值增益不小于12.5dBic；具有比单一主瓣天线更低全三维空间副瓣电平，在工作频带内全三维空间副瓣电平达到了在-23.6dB以下。从而更加有效的降低场馆等热点区域的相邻扇区干扰，实现频率复用，进一步提高通信网络容量。且垂直方向上的两波束间相互干扰小。
[0026] (2)该阵列天线垂直功分网络包含了四个相同的90度定向耦合器，两个相同的45度移相器，四个相同的50欧姆匹配负载以及四个不同的不等功分器，通过分别调整这四个不等功分器输出幅值，来获得需要的垂直功分网络的
输出信号。在第一端口、第二端口输入时，8个输出端口均为相同的非等幅度输出；当信号从第一端口进入时，八个输出端口依次输出的信号为+45度增加；当信号从第二端口进入时，八个输出端口依次输出的信号为-45度增加，从而形成了非等幅度输出的Butler矩阵，进而实现了两波束性能方向图。
附图说明
[0027] 图1为本发明的一种双极化二波束低副瓣快速跌落矩形赋形阵列天线的示意图；
[0028] 图2为本发明的天线辐射阵面示意图；
[0029] 图3为本发明的天线辐射阵面的端接垂直功分网络前的相位配置图；
[0030] 图4为本发明的水平馈电网络结构示意图；
[0031] 图5为本发明的垂直水平馈电网络结构示意图；
[0032] 图6为本发明的垂直馈电网络的垂直网络本体的内部组成原理图；
[0033] 图7为本发明的阵列天线在1.71GHz工作频点的水平面辐射方向图；
[0034] 图8为本发明的阵列天线在2.17GHz工作频点的水平面辐射方向图；
[0035] 图9为本发明的阵列天线在1.71GHz工作频点的垂直面辐射方向图；
[0036] 图10为本发明的阵列天线在2.17GHz工作频点的垂直面辐射方向图；
[0037] 图11为本发明的阵列天线在1.71GHz工作频点的等高线辐射方向图；
[0038] 图12为本发明的阵列天线在2.17GHz工作频点的等高线辐射方向图。
[0039] 其中，1-天线辐射阵面，2、3-水平功分网络，4、5-垂直功分网络，11、12、13、14、15、16、17、18-辐射子阵，21-水平网络输出端口，22-水平网络输入端口，41-垂直网络输出端口，42-垂直网络输入端口，43-垂直馈电网络本体，431-第一波束输入端口，432-第二波束输入端口，433-50欧姆匹配负载，434-45°移相器，435-第一90°定向耦合器，436-第二90°定向耦合器，437-50欧姆匹配负载，438-180°移相器，439-第一不等分功分器，4310-第二不等分功分器，4311-第三不等分功分器，4312-第四不等分功分器。
具体实施方式
[0040] 下面结合附图并举
实施例，对本发明进行详细描述。
[0041] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0042] 一种双极化二波束低副瓣快速跌落矩形赋形阵列天线，包括天线辐射阵面、水平功分网络和垂直功分网络。
[0043] 所述的一种双极化二波束低副瓣快速跌落矩形赋形阵列天线辐射方向图在垂直方向上为两波束，水平方向上为单波束。且在垂直方向上在3dB到20dB功率跌落角度比水平方向上快。其中垂直方向上在3dB到20dB功率跌落角度小于14°，水平方向上在3dB到20dB功率跌落角度不大于20°，中心频率的3dB波束宽度在50°。在辐射方向图的3dB～24dB等高线图上，为近正方向形状；
[0044] 进一步的，所述的辐射单元为矩形排布，水平方向的每个辐射子阵中包含了至少五个相同的辐射单元，垂直方向上包含了八个相同的辐射子列；
[0045] 进一步的，所述的辐射单元为相同的双极化十字交叉振子天线或者双极化金属贴片天线；
[0046] 进一步的，所述的水平方向辐射子阵列内相邻辐射单元间距相同，记为dx；所述的垂直方向上相邻辐射子阵列间距相同记为dy。dx为0.4倍中心频率波长～1.6倍中心频率波长范围内，dy为0.4倍中心频率波长～1.6倍中心频率波长范围内。
[0047] 进一步的，所述的种双极化二波束低副瓣快速跌落矩形赋形阵列天线包含了至少N×8个辐射单元，其中N的选择取决于每个辐射子阵中的辐射单元数目，一般取值范围为：大于或等于2；
[0048] 进一步的，所述的馈电网络包含了水平功率分配网络和垂直功率分配网络；其中水平功率分为网络为1进N出的功率分配网络，其中N的选择取决于每个辐射子阵中的辐射单元数目。其中输入口连接垂直功率分配网络，输出口连接辐射子阵内的辐射单元。其中垂直功率分为网络为1进8出的功率分配网络，其中输入口连接后端设备，输出口连接水平功率分配网络；
[0049] 进一步的，+45°极化方向上，所述水平功率分配网络数量为8个，所述的垂直功率分配网络数量为1个；
[0050] 进一步的，-45°极化方向上，所述水平功率分配网络数量为8个，所述的垂直功率分配网络数量为1个；
[0051] 进一步的，所述的阵列天线共包含了水平功率分配网络数量为16个，所述的垂直功率分配网络数量为2个。
[0052] 以下是本发明所述的一种双极化二波束低副瓣快速跌落矩形赋形阵列天线的最佳实例，并不因此限定本发明的保护范围。
[0053] 图1示出了一种双极化二波束低副瓣快速跌落矩形赋形阵列天线的示意图，包括了天线辐射阵面1，水平功分网络2(3)，垂直功分网络4(5)。其中所述的辐射阵面1内的辐射单元为双极化的十字交叉振子天线，阵列天线的设计工作频率为1.71GHz～2.17GHz。其中水平功分网络2和水平功分网络3为完全相同配置，分别对应阵列天线的+45°极化和-45°极化；垂直功分网络4和垂直功分网络5为完全相同配置，分别对应阵列天线的水平+45°极化和-45°极化。
[0054] 图2示出了天线辐射阵面1示意图，由辐射子阵11、辐射子阵12、辐射子阵13、辐射子阵14、由辐射子阵15、辐射子阵16、辐射子阵17、辐射子阵18组成，每个辐射子阵由5个辐射单元构成。辐射子阵内相邻单元间距为dx，优选的dx为0.5倍中心工作频率波长；相邻辐射子阵间距为dy，优选的，dy为0.5倍中心工作频率波长。
[0055] 图3示出了天线辐射阵面1的端接垂直功分网络前的相位配置图。其中辐射子阵11、辐射子阵12、辐射子阵13、辐射子阵14、辐射子阵15、辐射子阵16为完全相同的相位配置，即子阵内第一辐射单元、第二辐射单元为180°
射频信号激励，第三辐射单元、第四辐射单元、第五辐射单元为0°射频信号激励；其中辐射子阵17、辐射子阵18为完全相同的相位配置，即子阵内第一辐射单元、第二辐射单元为0°射频信号激励，第三辐射单元、第四辐射单元、第五辐射单元为180°射频信号激励。
[0056] 图4示出了水平馈电网络2(3)，包含了一个输入端口22和5个输出端口21。其中输入端口22与垂直功分网络输出端口连接。5个输出端口21分别与辐射子阵内的辐射单元连接。由于阵列天线中包含了8个辐射子阵，故每个极化阵列需要8个完全相同的水平馈电网络。水平功分器的幅度根据实际方向图的需求进行确定。本实施例的幅度为：0.275:0.07:0.6:0.89:0.53。
[0057] 图5示出了垂直馈电网络4(5)，包含了2个输入端口42和8个输出端口41，以及馈电网络本体43。其中输入端口42与后端设备连接。8个输出端口41分别8个水平馈电网络输入端口连接。垂直功分器的幅度根据实际方向图的需求进行确定。本实施例的幅度为：0.158:0.063:0.134:0.520:0.787:0.800:0.580:0.291。垂直功分器输出端口41输出
相位差恒定，优选的，本实例的每个端口相差为45°。
[0058] 图6示出了垂直馈电网络本体43的内部组成原理图。其中垂直馈电网络本体43包含了第一波束输入端口431，第二波束输入端口432，50欧姆匹配负载433。第一90°定向耦合器435分别同第一波束输入端口431，第二波束输入端口432，以及50欧姆匹配负载433电性连接。然后第一90°定向耦合器435其中的两路输出分别与45°移相器434进行电性连接，然后再与第二90°定向耦合器436进行连接。其中的第二90°定向耦合器436的第一端口与第一不等分功分器439连接，第二90°定向耦合器436的第二端口与第二不等分功分器4310连接，第二90°定向耦合器436的第三端口与第三不等分功分器4311连接，第二90°定向耦合器436的第四端口与第四不等分功分器4312进行电性连接。其中所述的第一不等分功分器439一路直接连接辐射子阵11的水平馈电网络输入端口，另一路经过连接180°移相器438后再与辐射子阵15的水平馈电网络输入端口进行连接；其中所述的第二不等分功分器4310一路直接连接辐射子阵12的水平馈电网络输入端口，另一路经过连接180°移相器438后再与辐射子阵16的水平馈电网络输入端口进行连接；其中所述的第三不等分功分器4311一路直接连接辐射子阵13的水平馈电网络输入端口，另一路经过连接180°移相器438后再与辐射子阵17的水平馈电网络输入端口进行连接；其中所述的第四不等分功分器4311一路直接连接辐射子阵14的水平馈电网络输入端口，另一路经过连接180°移相器438后再与辐射子阵18的水平馈电网络输入端口进行连接。
[0059] 进一步的，其中所述的第三不等分功分器4311，第四不等分功分器4312，为1进3出的不等分功分器，其中第一路、第二路分别于辐射子阵连接，第三路直接连接50欧姆匹配负载437。
[0060] 进一步的，所述的垂直馈电网络4(5)的8个输出端口当在第一波束输入端口431激励时候，依次输出相位为0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°信号；所述的垂直馈电网络4(5)的8个输出端口当在第二波束输入端口432激励时候，依次输出相位为315°，270°，225°，180°，135°，90°，45°，0°信号。
[0061] 图7、图8分别为一种双极化二波束低副瓣快速跌落矩形赋形阵列天线在1.71GHz、2.17GHz工作频点的水平面辐射方向图；图9、图10分别为一种双极化二波束低副瓣快速跌落矩形赋形阵列天线在1.71GHz、2.17GHz工作频点的垂直面辐射方向图；图11、图12分别为一种双极化二波束低副瓣快速跌落矩形赋形阵列天线在1.71GHz、2.17GHz工作频点的等高线辐射方向图。
[0062] 在超宽带范围内具有比单一主瓣天线更快的主瓣外的波束跌落速度，所述的一种双极化二波束低副瓣快速跌落矩形赋形阵列天线辐射方向图在垂直方向上为两波束，水平方向上位单波束。中心频率的3dB波束宽度在50°。且在垂直方向上在3dB到20dB功率跌落角度比水平方向上快。其中在水平方向上3dB到20dB功率跌落角度不大于20°，垂直方向上3dB到20dB功率跌落角度不大于14°；具有比单一主瓣天线更高的增益，在工作频带内峰值增益不小于12.5dBic；具有比单一主瓣天线更低全三维空间副瓣电平，在工作频带内全三维空间副瓣电平达到了在-23.6dB以下。在辐射方向图的3dB～24dB等高线图上，为近正方向形状。从而更加有效的降低场馆等热点区域的相邻扇区干扰，实现频率复用，进一步提高通信网络容量。且垂直方向上的两波束间相互干扰小。
[0063] 需要强调的是，每个辐射子阵，位于水平方向相邻振子之间间距是固定的，即等间距排列，在实际工程中，也可以是不等间距排列。在垂直方向上，相邻辐射子阵间的距离是固定的。即等间距排列，在实际工程中，也可以是不等间距排列。由于不脱离本发明的构思，也在本发明的保护范围内。
[0064] 以上所述的实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为详细具体，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干
变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
[0065] 本发明未公开的技术属本领域公知技术。
